Grâce à l’augmentation importante de la puissance de calcul des ordinateurs, architectures multi cœurs, processeurs graphiques, grappes de PC…, et au développement d’outils numériques efficaces, programmation parallèle, programmation vectorielle…, il est maintenant possible de modéliser et de simuler le comportement de la matière à l’échelle atomique dans des échelles de temps de calcul raisonnable.

Il existe différentes techniques de simulations selon les échelles de temps et d’espace auxquelles le théoricien et/ou l’expérimentateur travaille :

• la dynamique quantique repose sur la description quantique de la matière et donne des informations au niveau de l’interaction des noyaux atomiques et du cortège électronique qui les entoure: calcul et élaboration des potentiels d’interaction. L’échelle de temps est de l’ordre de la femtoseconde ou de la picoseconde, l’échelle d’espace correspond à l’atome (plusieurs Angströms).
• pour la dynamique moléculaire et le code de Monté Carlo, l’échelle de temps peut varier de la picoseconde à la microseconde, et les volumes simulés peuvent atteindre plusieurs centaines de nanomètres cubes. Ces techniques permettent de décrire le comportement des différents états de la matière liquide, solide ou gaz.
• la dynamique dissipative correspond à la technique qui décrit la matière aux plus grandes échelles. Chaque grain de matière peut être identifié comme un complexe moléculaire (molécules, macromolécules…) et son comportement est étudié à des échelles de temps qui peuvent atteindre la seconde.

La modélisation des matériaux à l’aide de la dynamique moléculaire est intéressante à plusieurs niveaux. Dans un premier temps, l’établissement du champ de force qui régit le comportement de la matière repose sur l’observation et la mesure des données primordiales: données spectroscopiques, structure moléculaire, constantes intrinsèques du matériau… Cette description fondamentale de la matière permet de simuler avec précision son comportement selon différentes aspects :

• Aspect mécanique: calcul du tenseur de pression, effets de cisaillement, variation de densité, propagation de la chaleur…
• Aspect thermodynamique, calcul du tenseur de température, paramètres intrinsèques du matériau (calcul du Cp, Cv), estimation des coefficients de transport (diffusion, conductibilité thermique),…

D’autre part, l’utilisation et le développement d’algorithmes de calcul permet d’élargir de champ d’investigation et de répondre à d’autres interrogations concernant le comportement du matériau sous diverses contraintes : évaluation de la perte de masse et de la nature des produits de décomposition lors d’une attaque particulaire ou par chauffage [9], estimation du désordre ou du changement de phase du matériau, ...

L’atout majeur de la dynamique moléculaire repose sur l’extrapolation des résultats obtenus à l’échelle atomique à l’échelle macroscopique permettant ainsi d’accéder à des grandeurs macroscopiques indispensables aux modèles.